A Columbia-jelentés (2. rész): A baleset műszaki háttere
(Rovat: A Columbia utolsó útja, Az űrrepülőgép , Katasztrófák ellen - 2003.09.02 19:40.)

A baleset körülményeit vizsgáló bizottság jelentésében hangsúlyozza, hogy a balesetért egyaránt, azonos mértékben okolhatók technikai, és a NASA szervezetén belüli hiányosságok. Sorozatunk második részében elkezdjük bemutatni a baleset technikai hátterét.

"A Columbia és legénysége elvesztésének fizikai oka a bal szárny belépőélének hővédő rendszerén lévő rés volt. A rést az a szigetelőhab-darab okozta, amely a külső hajtóanyagtartályt az űrrepülőgéppel összekötő bal oldali rúd mellől szakadt le, és a szárnyat a 8. számú RCC-panel alsó felénél találta el, 81,9 másodperccel a start után. Visszatérés közben ezen a hővédő rendszeren lévő résen keresztül forró levegő hatolt a szárny belsejébe és megolvasztotta a szárny alumínium szerkezetét. Ez a szárny elgyengülését okozta, majd a növekvő aerodinamikai terhelések miatt a jármű irányíthatatlanná vált, a szárny rendszerei meghibásodtak, az űrrepülőgép pedig darabokra szakadt." Ez áll a jelentés 3. fejezetének elején. A 3. fejezet a baleset fizikai okait vizsgálja.

A Columbia az indítóálláson. A felső piros kör mutatja a lehullott hab környezetét, az alsó kör pedig a 8. számú RCC-panel helyét

A külső tartály és a szigetelőhab

A külső hajtóanyagtartály az űrrepülőgép egyetlen olyan eleme, amelyik nem újrahasznosítható. Anyaga nagyrészt alumínium-ötvözet, acél és titán kötési pontokkal, és egyes helyeken kompozit anyagokkal. A tartályra hőszigetelés gyanánt műanyag habot visznek fel, gépi és kézi szórással. A szigetelés célja kettős: egyrészt biztosítja a tartály belsejében azt a hőmérsékletet, amelyen mind a benne tárolt oxigén, mind pedig a hidrogén megőrzi folyékony halmazállapotát, másrészt biztosítja, hogy a tartály külső felszínén a hőmérséklet ne legyen túl alacsony. Ez azért fontos, hogy ne képződjön a külső felületen jég vagy zúzmara, ami a start idején fellépő vibráció miatt leválhat a tartályról, és megsértheti az űrrepülőgép hővédő rendszerét.

Nyilvánvaló, hogy a töltéskor a tartályon bekövetkező nyomás- és hőmérsékleti terhelés miatt, a rezgések miatt, és amiatt, hogy indítás előtt az űrrepülőgép súlya a tartályon keresztül tevődik át a szilárd hajtóanyagú rakéta-párosra (illetve azokon keresztül az indítóasztalra), a tartályban rugalmas alakváltozás keletkezik. Emiatt a tartály alumínium szerkezete és a hab között feszültség ébred. Ez azonban úgy tűnik, nem jelent kockázatot, mivel az igen gyakran tapasztalt hableválások között egészen kevés olyan eset volt, amikor közvetlenül az alumíniumról vált le a szigetelőhab.

A habot azonban egyes helyeken kézzel viszik fel a tartályra. Ilyen hely az űrrepülőgép orrát a tartályhoz rögzítő tartórúd-kettős tövénél kialakított két rámpa is, ahonnan a hab elszabadult az STS-107 indításakor. A kézi művelet miatt nagy a bizonytalanság, soha nem ugyanolyan a felvitt hab minősége. A hab belsejében zárványok, szennyeződések, levegő-vezetékek lehetnek. A bizottság metszeteket készíttetett kézzel felvitt habmintákból, és a mintákon meg is találhatók ezek az anyaghibák.

A bizottság szerint az anyaghibákon kívül aerodinamikai terhelések, hőmérsékleti-, illetve nyomásbeli hatások, rezgések, a tartály alakváltozása és rengeteg egyéb körülmény járulhatott hozzá ahhoz, hogy a hab végül nem tudott ellenállni a terhelésnek, és leszakadt.

A hableválások egyébként nem ritkák az űrrepülőgép-rendszer történetében. Az indítások 30 százalékáról nem készült olyan felvétel, ami alapján meg lehetne állapítani, hogy történt-e hableválás. 79 olyan indítás volt, amelyekről értékelhető felvételek készültek, és ezek 80%-ánál levált valamennyi hab. Azoknál az indításoknál, ahol a baloldali tartórúd is a felvételen van, az esetek 10%-ában látható hableválás.

Nem véletlen tehát, hogy a bizottság egyik legfontosabb ajánlása, hogy minél előbb ki kell dolgozni egy olyan eljárást, amellyel megakadályozható a szigetelőhab leválása a tartályról.

Az űrrepülőgép szárnyának belépőéle

A szárnyak belépőéle a mára már sokak által ismert RCC, vagyis megerősített szén-szén kompozit anyagból készül. Mindkét szárnyon 22 ilyen RCC-panel található. Feladatuk, hogy a belépőél külső oldalán található több száz, nem ritkán 1000-1500 Celsius-fokos hőmérsékletű forró levegőtől megvédjék a szárny alumínium szerkezetét. Mivel a szárny belépőélének profilja a szárny teljes szélességében változik, mindegyik RCC-panel egyedinek tekinthető.

Az idő múlásával az RCC-paneleket két fő hatás éri. Az egyik az oxidáció, ami közvetlenül a használat eredménye. Ennek hatásait különféle modellezésekkel lehet szimulálni, és ez alapján előre megbecsülni a panel élettartamát. Egy idő után észrevették, hogy apró lyukak jelentek meg az RCC-paneleken. A lyukak száma csak nőtt a repülések számával. Kiderült, hogy ezeket az apró lyukakat cink-oxid okozza, amely az indítóállás festéséből származik. A cinkprimert eredendően még egy fedőréteg is borítja, azonban ez a fedőréteg az indítások alkalmával károsodik, és az indítóállást nem festik újra minden start után. Így tehát a cink alapozó a felszínre kerül. Ha egy űrrepülőgép éppen a startálláson van, és esik az eső (amire számos példa volt már), a cink alapozót az eső az RCC-panelekre moshatja. Ezzel pedig szaporodik a sérülések száma, vagyis gyengül az RCC-panel. Ráadásul a különféle mechanikai behatások miatt a panelek szilikon-karbid fedő-, és védőrétege megsérülhet, ami azt jelenti, hogy közvetlenül a hordozót éri a visszatérési hőterhelés.

A Discovery bal oldali 8. paneljének sérülése az STS-103 után

A képek elemzése, számítógépes szimuláció

A start felvételeinek elemzése után megállapítható, hogy
- a levált hab a bal oldali tartórúd előtti ék alakú szigetelés-részről (bipod ramp) származott,
- több darab szakadt le, de nem bizonyított, hogy egynél több is eltalálta volna a Columbiát,
- a hab közepe eltalálta a szárny belépőélének szerkezeti elemeit a 6. és a 9. RCC panel környékén, beleértve a panelek közti T-tömítéseket és a panelek mögötti hővédő csempéket (további elemzések alapján a bizottság a becsapódási területet a 8. RCC-panelre szűkítette),
- a becsapódás helyének és sebességének meghatározásához a kamerák képeinek időzítése és a hab pozíciójának mérése vezetett,
- a becsapódáskor a hab relatív sebessége 660-920 km/h volt (további elemzésekkel ezt a tartományt szűkítették),
- becsapódáskor a hab mozgásának iránya lényegében párhuzamos volt az űrrepülőgép törzsével,
- a hab másodpercenként kb. 18 fordulattal bukdácsolva mozgott,
- a becsapódáskori helyzetét nem lehet meghatározni,
- a hab méretei 50-70 cm és 30-45 cm voltak, alakját egyszerűen csak laposként lehetett jellemezni (a későbbiekben meghatározták a vastagságát is),
- a start előtti legutolsó jég-ellenőrzésen a kettős tartórúd környezetében nem volt látható jég,
- nincs bizonyíték arra vonatkozóan, hogy idegen anyag lett volna a levált habban,
- a becsapódás gyakorlatilag egy porfelhőt eredményezett, amelynek a sebességében nagyon kis mértékű volt a szárnytól eltartó komponens,
- a porfelhő mellett két látható, jelentős méretű törmelékdarab is létrejött a becsapódás után, melyeknek a szárnytól eltartó sebessége is jelentős volt.

A vizsgálatot nehezítette, hogy nem állt rendelkezésre a megfelelő számú nézetből készített, jó minőségű felvétel.

Számítógépes modellekkel a fenti eredményeket finomították. A hab közvetlenül leválása előtt az űrrepülőgéppel azonos sebességgel, vagyis körülbelül 2510 km/h-val haladt. Leválása után, az igen kicsi ballisztikus együtthatója (vagyis tömeg/felület hányadosa) miatt 1640 km/h-ra lassult, mindössze 0,2 másodperc alatt, vagyis az űrrepülőgép hozzávetőlegesen 870 km/h sebességgel tulajdonképpen nekirepült a habdarabnak.

A becsapódás szögét 10 és 20 fok közöttinek állapították meg. Az RCC-panelek görbülete és a hab pályájának bizonytalansága miatt azonban ezt nem lehet pontosabban megadni.

Folytatjuk...